Afscheid van Murray Gell-Mann: de puzzelaar die het patroon van de natuur blootlegde

Nobelprijswinnaar Murray Gell-Mann is vrijdag op 89-jarige leeftijd overleden. De Amerikaanse natuurkundige zal herinnerd worden als de man die het bestaan van quarks voorspelde, maar was bovenal een briljant puzzelaar. Gell-Mann schoof namelijk de eerste puzzelstukjes van het standaardmodel van de deeltjesfysica in elkaar.

In de jaren 1950 zaten natuurkundigen met de handen in het haar. In steeds krachtigere deeltjesversnellers werd het ene deeltje na het andere ontdekt, maar niemand wist wat aan te vangen met de warboel aan exotische deeltjes. Net op dat moment verscheen wonderkind Murray Gell-Mann op het toneel. De theoretische fysicus zette zich aan het puzzelen en ontwierp een theoretisch raamwerk waarin ieder deeltje een plaats kreeg.

Vergelijk het met Dmitri Mendelejev die de chemische elementen in een periodiek systeem plaatste of met een taxonoom die dieren indeelt. Op dezelfde manier begon Gell-Mann orde in de deeltjeszoo te scheppen. Op basis van symmetriegroepen plaatste hij de pas ontdekte subatomaire deeltjes in een octetstructuur. Hij noemde zijn theorie ‘The eightfold way’. Van die knipoog naar Boeddha’s achtvoudige pad om verlichting te bereiken, kreeg hij spijt toen de New Age-beweging kwantumfysica ging verbinden met de Oosterse mystiek. ‘Quantum flapdoodle’, bestempelde hij dat soort onzin.

De deeltjes in het octet stonden op drie verschillende assen, waaraan Gell-Mann een verschillend kwantumgetal toekende. Die grootheid noemde hij ‘vreemdheid’. Eerder had hij namelijk opgemerkt dat sommige deeltjes zich vreemd gedragen, maar dat er tegelijk ook zoiets bestaat als ‘behoud van vreemdheid’: als een nieuw deeltje gevormd wordt, dan gedraagt het zich doorgaans net even ‘vreemd’ als de deeltjes waaruit het ontstaan is.

Later stelde Gell-Mann ook een ‘decuplet’ op: een ander schema waarin tien deeltjes passen. Daarvan waren er al negen gevonden. De theoretische fysicus daagde zijn meer experimenteel aangelegde collega’s uit om naar het ontbrekende deeltje op zoek te gaan. Toen dit laatste deeltje in 1964 effectief gevonden werd én het ook nog eens de massa bleek te hebben die Gell-Mann voorspeld had, werd zijn classificatiemethode algemeen aanvaard. Vijf jaar later werd Murray Gell-Mann beloond met de Nobelprijs voor de Fysica, ‘voor zijn bijdragen en ontdekkingen over de indeling van elementaire deeltjes en hun interacties’. Hij was toen amper veertig jaar.

Three Quarks for Muster Mark

Door deeltjes te classificeren heb je hun eigenschappen nog niet verklaard. Het gedrag van kerndeeltjes is alleen te begrijpen als je aanneemt dat ze samengesteld zijn uit nog fundamentelere bouwstenen, merkten Gell-Mann en zijn landgenoot George Zweig op.

‘Quarks’, zo noemde Gell-Mann die bouwstenen, naar een fantasiewoord van James Joyce uit Finnegans Wake. Dat dit woord in die roman enkel voorkomt in het zinnetje: ‘Three Quarks for Muster Mark!‘, is niet toevallig: quarks in protonen of neutronen scholen steeds samen in groepjes van drie. Ze zijn nooit afzonderlijk waar te nemen. Dat komt door de sterke kernkracht, een theorie waaraan Gell-Mann eveneens een belangrijke bijdrage leverde. Hij en zijn collega’s gingen uit van het bestaan van krachtdragers, zogeheten ‘gluonen’, die de quarks als het ware aan elkaar lijmen.

Quarks en gluonen werden toen vooral gezien als een wiskundige poging om de werkelijkheid te beschrijven. In 1968 bleek uit experimenten in de deeltjesversneller van Stanford dat protonen effectief uit kleinere deeltjes bestaan. Jaren later werden ook de gluonen ontdekt. Het werd tevens duidelijk dat er zes verschillende soorten quarks bestaan. Daaronder ook de ‘strange-quark’, die – jawel – de ‘vreemdheid’ van subatomaire deeltjes bepaalt. De puzzel viel langzaamaan in elkaar. Vandaag vormen al die fundamentele deeltjes en interacties samen een prachtig bouwwerk: het befaamde standaardmodel van de deeltjesfysica.

Van de quark naar de jaguar

Met zijn quark-theorie beschreef Gell-Mann datgene wat zich op het allerkleinste niveau afspeelt. Op latere leeftijd ging hij zich steeds meer afvragen wat al die afzonderlijke puzzelstukjes te betekenen hebben op een grotere schaal. Zijn poging om de fundamentele deeltjes te verbinden met de complexiteit van natuur beschreef hij in zijn boek ‘De quark en de jaguar’.

Gell-Mann ging beseffen dat ook complexe systemen uit de biologie, de economie of zelfs de taalkunde kunnen ontstaan vanuit eenvoudige regels. In 1983 was hij een van de oprichters van het Santa Fe-instituut, speciaal bedoeld voor interdisciplinair onderzoek naar dit soort ‘complexe adaptieve systemen’. Tot het einde van zijn leven bleef hij zich daar in verschillende vakgebieden verdiepen. Zeven jaar geleden publiceerde hij er nog een analyse over de evolutie van woordvolgorden in talen. Het was tekenend voor de puzzelaar die zijn hele leven aan één ding gewijd heeft: orde scheppen in de chaos.